Cientistas flagram 'pulo' quântico do som pela 1ª vez

Cientistas conseguiram observar em tempo real o desaparecimento de uma unidade quântica de som pela primeira vez. O experimento realizado por pesquisadores da Universidade Stanford, nos Estados Unidos, permitiu acompanhar o instante em que um fônon deixou de existir por meio de um fenômeno conhecido como salto quântico. O trabalho foi publicado na revista científica Nature Physics.

Para tornar a observação possível, a equipe desenvolveu um pequeno dispositivo mecânico semelhante a um diapasão sobre a superfície de um chip. O sistema foi conectado a um qubit supercondutor, componente utilizado em tecnologias de computação quântica.

No experimento, o qubit funcionou como um detector. Os cientistas prepararam o sistema com aproximadamente um fônon e realizaram medições repetidas para verificar se ele continuava presente.

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O que é um 'salto quântico' do som?

No cotidiano, o som parece desaparecer continuamente. Ao tocar um sino, por exemplo, ouvimos sua intensidade diminuir aos poucos até deixar de ser perceptível.

Na escala quântica, porém, a energia é quantizada. Isso significa que determinadas mudanças ocorrem entre níveis definidos, em vez de seguirem uma variação contínua. No caso das vibrações mecânicas estudadas pelos pesquisadores, essas unidades de energia são chamadas de fônons.

Como a vibração do dispositivo permanecia por um período relativamente longo, a equipe conseguiu realizar centenas de medições consecutivas e acompanhar a evolução do sistema.

Os resultados permitiram identificar uma mudança abrupta associada ao desaparecimento do fônon, em vez de uma redução gradual de sua energia.

Como cientistas acompanharam o fônon

O dispositivo criado pela equipe funcionou como um ressonador mecânico microscópico. Ele foi acoplado ao qubit supercondutor, que permitiu verificar repetidamente o estado do sistema.

Essa estratégia tornou possível acompanhar uma única excitação mecânica durante sua existência e registrar o momento em que ocorreu a transição entre os estados quânticos.

A observação em tempo real de um salto desse tipo em um sistema mecânico permite investigar de maneira mais detalhada como sistemas quânticos evoluem enquanto são continuamente monitorados.

Experimento pode contribuir para tecnologias quânticas

A capacidade de acompanhar repetidamente estados mecânicos quânticos pode ter aplicações no desenvolvimento de tecnologias de informação quântica. Uma das possibilidades está nas memórias quânticas, sistemas destinados a preservar informações codificadas em estados quânticos.

Ressonadores mecânicos também são estudados como possíveis componentes para armazenar informações e auxiliar em estratégias destinadas a identificar e corrigir erros em sistemas quânticos.

A correção de erros é um dos desafios para o desenvolvimento de computadores quânticos, já que os estados utilizados nessas máquinas são sensíveis a perturbações externas.

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Medições ainda interferem no sistema

A técnica desenvolvida pelos pesquisadores também apresenta limitações. Cada medição preserva o número de fônons com uma probabilidade de aproximadamente 99%.

Como são necessárias diversas medições consecutivas para acompanhar a evolução do sistema, pequenas perturbações podem se acumular e interferir no tempo durante o qual a vibração permanece detectável.

Diante disso, a equipe pretende tornar as medições ainda menos invasivas, permitindo acompanhar os estados quânticos por períodos maiores. Outro objetivo é conectar vários ressonadores mecânicos a um mesmo qubit. A estratégia pode abrir caminho para sistemas de memória quântica capazes não apenas de detectar erros, mas futuramente também de corrigi-los.